超低排放改造煙氣治理高效除塵技術

林歡

（永清環保股份有限公司，長沙 410330）

引言

2014年9月，國家發展和改革委員會、環境保護部、國家能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，要求我國東部地區11省新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放限值，即粉塵≤10mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。中部地區原則上接近或達到燃機排放限值，鼓勵西部地區接近或達到燃機排放限值。同時，穩步推進東部地區現役燃煤發電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放限值的環保改造[1]。2015年3月，十二屆全國人大三次會議《政府工作報告》指出： 深入實施《大氣污染防治行動計劃》，推動燃煤電廠超低排放改造。2015年12月2日，國務院常務會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節能改造，大幅降低發電煤耗和污染排放。燃煤電廠積極開展超低排放改造。

目前，燃煤機組采用的煙氣處理系統主要有：靜電除塵器+濕法脫硫、靜電除塵器+半干法脫硫+袋式除塵器（或電袋除塵器）等[2]。常用的除塵器改造有電改袋式除塵器技術、低低溫電除塵器技術、高頻電源技術、常規電場擴容及優化技術、改造電袋除塵器等方法[3、4]，單獨改造煙塵排放濃度都很難實現小于10mg/Nm3。濕法脫硫后加裝濕式靜電除塵器，可以同時解決脫硫后煙氣中的微細粉塵、酸性霧滴、重金屬顆粒、“石膏雨”、SO3氣溶膠等問題。因此，濕式靜電除塵器為燃煤機組超低排放提供了可靠的技術路線。

某鋼鐵廠為響應提高煙氣排放標準的號召，對現有2×300MW機組進行了煙氣超低排放改造。針對該發電機組改造后粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的要求，對其原有干式除塵器進行電源升級，二級吸收塔后加裝濕式靜電除塵器，保證出口煙氣達到超低排放的要求。

1 改造前除塵情況

某鋼鐵廠2×300MW發電機組同步建設SCR脫硝工藝、雙室五電場靜電除塵器和濕式石灰石/石膏法脫硫工藝（一爐一塔），除塵效率大于99.86%。并于2010年12月底投入運營。2013年、2014年分別對2#和1#機組進行了低氮燃燒器改造及其除霧器屋脊式改造，煙氣脫硫入口煙氣參數如表1所示，改造后運行指標：NOx≤100mg/Nm3，粉塵出口濃度≤50mg/Nm3。SO2排放濃度≤169mg/Nm3，脫硫效率≥96.5%。四年多的運行，機組效率明顯降低，整體性能有所下降，該廠對兩臺機組進行了改造。

表1 煙氣脫硫入口煙氣參數

2 改造目標

改造后的煙氣污染物排放濃度達到或優于現有燃用天然氣機組的排放標準，即濕式電除塵入口含塵濃度按照50mg/Nm3（標、濕、實際氧），粉塵排放濃度≤5mg/Nm3。

3 除塵改造技術分析

針對超低排放，目前國內除塵改造技術主要有電袋復合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器。

3.1 電袋復合除塵器

電袋復合除塵器是將電除塵器和袋式除塵器結合起來的除塵技術，目前主要應用于水泥、火電行業。電袋復合除塵器是利用除塵指數規律變化。應用比較多的是“前電后袋”形式，電除塵器作為一級除塵，利用電場作用收集80%左右的粗顆粒粉塵。剩余的細微顆粒被荷電后，在電荷異性相吸的作用下組成大粉塵團，袋式除塵作為二級除塵，過濾收集剩余20%左右的粉塵，從而增加細微粉塵的吸附，提高除塵效率，達到超低排放。電袋復合除塵器結合了電除塵器和袋式除塵器的優點：能去除0.01～1μm的氣溶膠細微粒子；不受粉塵比電阻的影響；工作負荷低、過濾阻力??；可減少清灰頻率，延長濾袋的使用壽命。但是高溫高濕度的煙氣環境，電袋復合除塵器會出現結露和腐蝕。電暈放電會影響布袋壽命。電袋復合除塵器裝置復雜，后期維護費用增加。

3.2 高頻電源改造

2014年，環境保護部《關于發布2014年國家鼓勵發展的環境保護技術目錄（工業煙氣治理領域）的公告》中指出：與傳統工頻電源相比，采用高頻電源后，粉塵排放減少10%以上，節電20%～40%[5]。根據除塵器效率多依奇公式可知，粉塵的驅進速度與除塵效率成正比。粉塵粒徑的大小、粉塵比電阻、電場強度、煙氣粘度都會影響帶電粉塵在電場中的驅進速度。電場的電壓越高，電場強度越強，除塵效率越高。與工頻電源（50Hz）相比，高頻電源的頻率是工頻電源頻率的800倍，可達到40kHz，輸出直流電壓要高出30%左右?？梢蕴岣唠姵龎m器電場供電電壓和電流，提高除塵器的除塵效率。

3.3 低低溫電除塵器

低低溫煙氣處理技術是在鍋爐空預器后設置MGGH（熱媒水熱量回收系統），使進入除塵器入口的溫度由原來的130℃～150℃降至90℃左右[6]。由于煙氣溫度低于酸露點溫度，在MGGH或低溫省煤器中氣態SO3冷凝形成硫酸霧，被粉塵顆粒所吸附。除塵器在收集粉塵的同時，也協同去除了煙氣中的SO3。低低溫電除塵器的優勢：可降低粉塵的比電阻，避免“反電暈”現象發生。能協同處理煙氣中大部分的SO3。節約燃料，節省標準煤耗為1.0～3.5g/kW·h?？衫糜酂幔芎牡汀５菬峄厥掌髦欣淠纬傻腟O3會腐蝕除塵器及下游設備。

3.4 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器與干式靜電除塵器的工作原理相近。高壓放電使煙氣電離，使粉塵與霧滴荷電，荷電后的粉塵、酸霧等顆粒物不斷凝聚，在電場作用下，抵達收塵極。干式除塵器采用振打清灰，振打會出現二次揚塵。濕式靜電除塵器采用收塵極板上形成連續水膜帶走粉塵與霧滴。不但壓損小、無移動部件、極板清潔容易、防止二次揚塵，還可以解決高比電阻引起的反電暈現象。對于濕法脫硫后的硫酸霧、PM2.5、重金屬離子可以協同處理。布置在濕法脫硫的后端，燃煤鍋爐粉塵排放濃度可≤10mg/Nm3。除塵效率高，被廣泛用于火電、鋼鐵等行業。

4 改造技術線路

該期改造工程需要在原廠房區進行，不再另開辟其他場地，場地空間有限。入口粉塵濃度為50mg/Nm3，出口粉塵濃度為5mg/Nm3，工程難度大。項目改造時間短，工期緊張。根據除塵器效率多依奇公式：

式中：

μ——設計要求除塵效率；

ω——驅進速度，m/s；

A——收塵極計算集塵面積，m2；

Q——工況處理風量，m3/s。

比集塵面積S=A/Q，m2·s/m3。

可知，除塵效率與驅進速度、比集塵面積有關。提高驅進速度和比集塵面積可提高除塵效率。粒子驅進速度主要取決于電除塵器二次電壓、二次電流、塵/霧的粒徑分布、塵/SO3霧的比電阻、氣體粘度、氣流的分布狀況等。所以改造主要通過高頻電源改造和增加集塵面積來提高除塵效率。根據項目特點，具體改造路線為：

（1）保留原有電除塵器本體設備，并對雙室五電場高壓電源進行改造。其中一、二、三電場電源改為高頻電源，四、五電場改為脈沖電源。高頻電源在額定負載條件下轉換效率＞92%。電除塵排塵濃度≤20mg/Nm3。系統節電率＞40%。

（2）保持原有吸收塔作為一級吸收塔，新增吸收塔為二級吸收塔。二級吸收塔后新增一臺兩電場的濕式靜電除塵器。濕式靜電除塵器的入口含塵濃度按50mg/Nm3（標準狀態、濕基、實際氧），出口含塵濃度按5mg/Nm3，除塵效率按90%設計。每臺除塵器兩電場、四分區，配置4套高頻電源。改造后技術路線如圖1所示。

圖1 改造后技術路線

5 改造技術分析

濕式電除塵器采用臥式結構，煙氣水平進出。除塵器包含陽極集塵系統、陰極放電系統、煙氣導流均布系統、沖洗水深度霧化噴淋系統、高效節能荷電系統、入口煙道、出口煙道、灰斗、殼體等結構。濕式除塵器結構原理圖如圖2所示。除塵器分為兩個電場，四個分區。該項目對煙氣系統進行了CFD計算機數值模擬和流場分析，采用比集塵面積最大化、高效噴淋系統、穩定供電方式、節能環保型水處理工藝，確保煙氣排放達到超低排放標準。

5.1 比集塵面積最大化

根據設計煤種BMCR工況和實際場地情況進行方案設計。為獲得足夠多的集塵面積，濕式除塵器兩電場、四分區。采用ZD60形式的板式集塵極，放電極采用針刺型陰極線。電場布置圖如圖3所示。陽極板采用懸掛式懸掛在殼體的主梁上，陰極線采用夾持式安裝，并通過框架固定，不但可以保證陽極板和陰極線不能隨意擺動，也解決了空間有限的難題，使通道數增加，達到集塵面積的最大化。煙氣流速為2.43m/s，煙氣停留時間長達3.8s，有利于粉塵的收集。比集塵面積為25.4m2·s/m3，滿足比集塵面積為不小于25m2·s/m3的要求。

圖2 濕式靜電除塵器結構原理

圖3 濕式靜電除塵器電場布置

5.2 煙氣系統CFD流場分析

原場地空間有限，又新增二級吸收塔和濕式除塵器，需要對原有煙道系統進行改造。如何設計煙道走向和設備布置，最大程度減少系統阻力尤其重要。根據煙道布置，利用CFD計算機數值模擬進行流場分析，模型按1∶1比例進行建模，網格數量達400萬以上。電除塵器內部采用多孔介質結構處理。通過對煙道流場優化，在煙道內設置五處導流板，在進口喇叭內設置氣流均布板。導流板位置如圖4所示。煙氣速度流線圖如圖5所示。整個煙道系統內煙氣流動均勻且穩定。煙道和除塵器內無旋渦產生。濕式除塵器縱截面的速度分布均勻，氣流分布均勻系數為0.123，滿足除塵器入口煙箱法蘭處丘留均布系數＜0.13的要求。

圖4 煙道系統內設置的導流板位置

圖5 煙氣系統速度流線圖

5.3 高效穩定供電方式

原除塵器改造第一、二、三電場電源改為高頻電源，四、五電場改為脈沖電源。新增濕式除塵器2電場、四分區均采用高頻電源。改造工程場地空間有限，高頻電源布置在除塵器頂部。高頻電源采用型號為72kV/2000mA。大功率高頻電源的電能轉換效率高達93%以上。對于復雜多變的工況，高頻電源對鍋爐燃燒物及灰粉適應性強，且在恒流或恒壓下運行穩定?？杀裙ゎl電源降低運行電耗70%以上。效率高、電源能耗低、運行維護成本低。高頻電源采用數字化控制，保證即起即停的同時，在任意擊穿電壓下也能穩定運行。高效穩定的供電方式為高效除塵提供重要保障。

5.4 節能水處理系統

濕式除塵器水處理系統由高效噴淋系統+節能水循環系統組成。陽極板和氣流均布板上方布置噴嘴，噴霧形成水膜后沖洗粉塵，灰水經灰斗到達水箱?；宜谒渲屑訅A中和，達到水質標準的灰水作為系統內部水循環利用，含少量懸浮物的水外排到脫硫系統作為脫硫工藝補水，同時補充等量的工業用水。不但實現灰水的循環利用，還減少了外排灰水的二次污染，節能且環保。

5.5 除塵器設備主要技術參數

改造后的濕式靜電除塵器設備主要技術參數見表2。

表2 濕式靜電除塵器主要技術參數

6 改造后運行結果分析

該項目2×300MW機組超低排放改造工程2015年12月完成168h調試后投入使用，設備運行正常。對濕式除塵器煙氣煙塵濃度進行檢測，檢測結果見表3。從檢測結果可知，機組煙氣系統滿足凈煙氣煙塵排放濃度≤5mg/Nm3，煙塵脫除效率≥90%的要求。濕式除塵器同時對SO3、NOx、PM2.5有協同去除作用。至今設備已投運2年，煙氣系統運行穩定，滿足超低排放要求。

表3 濕式靜電除塵器煙氣濃度檢測結果

7 結語

以某鋼鐵廠2×300MW燃煤機組超低排放改造為例，分析了超低排放中電袋復合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器四種除塵改造技術。確定了“對原有電除塵器電源進行改造+二級吸收塔后新增濕式靜電除塵器”的改造路線。從投運運行結果來看，高頻電源改造可以提高除塵效率，濕法脫硫后新增濕式靜電除塵器，可實現超低排放出口粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的要求，改造路線值得其他除塵改造借鑒。